Ett team av forskare, ledd av forskare vid Case Western Reserve University, har utvecklat en multifunktionell nanopartikel som möjliggör magnetisk resonanstomografi (MRT) för att lokalisera blodkärlsplack orsakade av åderförkalkning. Tekniken är ett steg mot att skapa en icke-invasiv metod för att identifiera plack som är känsliga för bristning - orsaken till hjärtinfarkt och stroke - i tid för behandling.
För närvarande, läkare kan bara identifiera blodkärl som förträngs på grund av plackackumulering. En läkare gör ett snitt och för in en kateter i ett blodkärl i armen, ljumske eller hals. Katetern avger ett färgämne som gör att röntgenstrålar visar förträngningen.
Dock, Forskare från Case Western Reserve rapporterar online idag i tidskriften Nanobokstäver att en nanopartikel byggd av ett stavformat virus som vanligtvis finns på tobak lokaliserar och belyser plack i artärer mer effektivt och med en liten del av färgämnet.
Mer viktigt, arbetet visar att de skräddarsydda nanopartiklarna kommer in på plackbiomarkörer. Det öppnar möjligheten att partiklar kan programmeras för att identifiera sårbara plack från stabila, något oriktade färgämnen ensamma inte kan.
"Från kemistens synvinkel, det är fortfarande utmanande att göra nanopartiklar som inte är sfäriska, men icke-sfäriska material är fördelaktiga för medicinska tillämpningar", sa Nicole F. Steinmetz, biträdande professor i biomedicinsk teknik vid Case Western Reserve. "Naturen ligger långt före oss. Vi skördar naturens metoder för att förvandla dem till något användbart inom medicinen."
De stavformade nanopartiklarna är gjorda av tobaksmosaikvirus, små rörformiga organismer som infekterar växtceller men är godartade utanför växten.
Steinmetz, en specialist på bioteknik växtvirus, tillsammans med Xin Yu, professor i biomedicinsk teknik, som är specialiserad på att utveckla MRT-tekniker för att undersöka hjärt-kärlsjukdomar. De skapade en enhet som transporterar och koncentrerar avbildningsmedel på plack.
I forskargruppen ingår:Michael A. Bruckman, en postdoktor, och Lauren N. Randolph, en student, i Steinmetz-labbet; Kai Jiang, en doktorand i Yus labb; och Leonard G. Luyt, assisterande professor, och Emily J. Simpson, en doktorand, både vid institutionen för kemi vid Western University, i London, Ontario.
Långsträckta nanopartiklar har en högre sannolikhet att tryckas ut ur det centrala blodflödet och rikta in sig på kärlväggen jämfört med sfärer. Dessutom tillåter formen mer stabil fäste på plattan, sa forskarna.
Virusytan är modifierad för att bära korta kedjor av aminosyror, kallas peptider, som gör att viruset fastnar där plack utvecklas eller redan finns. Luyt och Simpson syntetiserade peptiderna.
"Bindningen gör att partikeln kan stanna på platsen längre, medan rena kraften är mer sannolikt att tvätta bort en sfär, på grund av sin höga krökning, sa Yu, en utsedd till Case School of Engineering.
Virusytan modifierades också för att bära nära-infraröda färgämnen som används för optisk skanning, och gadoliniumjoner (som är kopplade till organiska molekyler, för att minska toxiciteten hos metallen) som används som kontrastmedel för MR. De använde optiska skanningar för att verifiera MRT-resultaten.
Genom att ladda ytan med gadoliniumjoner istället för att injicera dem och låta dem flöda fritt i blodomloppet, nanopartikeln ökar relaxiviteten – eller kontrasten från frisk vävnad – med mer än fyra storleksordningar.
"Medlet som injiceras i blodomloppet har en relaxivitet på 5, och våra nanopartiklar en relaxivitet på 35, 000, " sa Steinmetz som utsågs av Case Western Reserve School of Medicine.
Det beror på att nanorod bär upp till 2, 000 molekyler av kontrastmedlet, koncentrera dem på plackställena. För det andra, Att fästa kontrastmedlet på en nanopartikelställning minskar dess molekylära tumlingshastigheter och leder till ytterligare relaxivitetsfördelar, förklarade forskarna.
Även om utsikten är bättre, de kan använda 400 gånger mindre av kontrastmedlet eftersom det levereras direkt till plack.
Den tobaksvirusbaserade nanopartikeln, de sa, erbjuder en annan fördel:De flesta nanopartiklar som har utvecklats för att bära kontrastmedel är baserade på syntetiska material, några av dem kan stanna i kroppen ett tag.
Tobaksviruset består av protein, som kroppen är väl rustad för att hantera och snabbt spola ur systemet.
Steinmetz och Yu, medlemmar av Case Center for Imaging Research, föreslår nu att ta arbetet ett steg längre. De vill skräddarsy nanopartiklarna för att visa läkare om placken är stabila och inte kräver någon behandling, eller är känsliga för bristning och kräver behandling. En bristning sätter igång kaskaden av händelser som leder till hjärtinfarkt och stroke.
Att göra detta, de måste först hitta olika biomarkörer för stabila kontra sårbara plack och belägga nanopartiklarna med olika peptider och kontrastmedel som gör att MRT kan skilja den ena från den andra.
"Vår förståelse av sårbara plack är ofullständig, men när vi kan diagnostisera sårbara plack från stabila plack, det kommer att bli ett paradigmskifte i diagnos och prognos, " sa Yu.
Förutom att använda tekniken för att hitta sårbarheter, det kan också vara användbart för att leverera läkemedel och övervaka behandling, säger forskarna.
